(57)【要約】  本技術は、気体、液体、固体、またはエネルギーを含む媒体を輸送するための非円筒形構造を提供し、該構造は、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む外層および内層によって取り囲まれた熱分解グラファイト（ＴＰＧ）の層を含む。特に、本技術は、内層、外層、および内層と外層との間のＴＰＧの層を有する非円筒形のチューブまたはパイプに関し、ここでＴＰＧ層は、熱伝導の方向を管理するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）コアルーメンを画定する内層、（ｉｉ）外層、および（ｉｉｉ）内層と外層との間に配置された熱伝導層を含む非円筒形チューブ構造であって、内層および外層がそれぞれ金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含み、そして熱伝導層が熱伝導性材料を含む、非円筒形チューブ構造。
【請求項２】
熱伝導性材料が、熱分解グラファイト（ＴＰＧ）である、請求項１に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項３】
ＴＰＧが、熱伝導方向を制御するように配向されている、請求項２に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項４】
中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層が複数のＴＰＧシートを含み、ここでＴＰＧシートが中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向されている、請求項３に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項５】
中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層が複数のＴＰＧシートを含み、ここでＴＰＧシートが中心チューブ軸に垂直で、互いに平行に配向されている、請求項３に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項６】
中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層が複数のＴＰＧシートを含み、ここで複数のＴＰＧシートが中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向されており、そして複数のＴＰＧシートが少なくとも１つのチューブ側面に垂直に配向されている、請求項３に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項７】
中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層が複数のＴＰＧシートを含み、ここで複数のＴＰＧシートが中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向されており、そして複数のＴＰＧシートが少なくとも１つのチューブ側面に平行に配向されている、請求項３に記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項８】
内層および外層がそれぞれ、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、チタン、ジルコニウム、またはこれらの２つ以上の合金から選択される金属を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項９】
非円筒形チューブ構造が３つ以上の側面を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項１０】
前記チューブ構造の形状が略矩形である、請求項１〜９のいずれかに記載の非円筒形チューブ構造。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の非円筒形チューブ構造により材料を通すことを含む、材料を輸送する方法。
【請求項１２】
（ａ）構造の内部を通るチャネルを画定する熱伝導性材料の構造を形成すること；
（ｂ）チャネル内にコアルーメンを画定する内層を配置すること；および
（ｃ）構造を外層で覆うことを含む、非円筒形チューブ構造を形成する方法。
【請求項１３】
熱伝導性材料の構造を形成することおよびコアルーメン内に内層を配置することが、
（ｉ）１つ以上の熱伝導性シートを設けて構造を形成すること、ここで各シートが複数の基底面を画定しており；
（ｉｉ）構造内にチャネルを形成すること；
（ｉｉｉ）チャンネル内に内層を配置すること、ここで内層がコアルーメンを画定しており；および
（ｉｖ）内層の上に複数の基底面を画定する熱伝導性シートを配置することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
（ｖ）（ｉｖ）の構造を外層で覆うことを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
（ｉ）が、第１の熱伝導性シート、第２の熱伝導性シート、および第３の熱伝導性シートを設けることを含み、そして（ｉｉ）が、第１のシートと第３のシートとの間に第２のシートが配置されるようにシートを結合することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
第２のシートの基底面が、第１および第２のシートのものとは異なる方向に配向されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
（ｉｖ）の熱伝導性シートが、その基底面が構造の残りの基底面と同じ方向に配向されるように構造内に配置される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
（ｉｖ）の熱伝導性シートが、その基底面が第２のシートの基底面と同じ方向に配向されるように構造内に配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
工程（ａ）が、コアルーメンの形状を有するマンドレルの周りに化学気相堆積によって熱伝導性材料を形成することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
内層および外層がそれぞれ、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、チタン、ジルコニウム、またはこれらの２つ以上の合金から選択される金属を含む、請求項１２〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
略矩形チューブ構造であって、
コアルーメンを画定する内層；
外層：
構造の長さに沿った中心チューブ軸；
外層により画定されるチューブ側面、チューブ上面、およびチューブ底面；および
熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を含む熱伝導層を含み、ここでＴＰＧが複数のＴＰＧシートを含み、各シートが複数の基底面を有し、ここでそれぞれのシートのＴＰＧ基底面が、中心チューブ軸に平行に、垂直に、または角度をなして配向されており、そして、側面に平行に、垂直に、または角度をなして配向されている、構造。
【請求項２２】
ＴＰＧ基底面が、中心チューブ軸に平行であり、そして各チューブ側面に平行であり、そしてチューブ上面およびチューブ底面に垂直である、請求項２１に記載の構造。
【請求項２３】
ＴＰＧ基底面が、中心チューブ軸に平行であり、そして１対のチューブ側面に垂直である、請求項２１に記載の構造。
【請求項２４】
ＴＰＧ基底面が、中心チューブ軸に平行であり、そして各チューブ側面に平行であり、そしてチューブ上面およびチューブ底面に平行である、請求項２１に記載の構造。
【請求項２５】
ＴＰＧ基底面が中心チューブ軸に垂直である、請求項２１に記載の構造。
【請求項２６】
ＴＰＧ基底面が互いに平行である、請求項２１に記載の構造。
【請求項２７】
熱伝導層が、
側壁、頂壁の一部、および底壁の一部を画定する第１のシート；
第１のシートに対向する第２のシートであって、側壁、頂壁の一部、および底壁の一部を画定する第２のシート；
第１のシートと第２のシートとの間に配置された第３のシートであって、底壁の一部を画定する第３のシート；および
第３のシートと対向する第４のシートであって、第１のシートと第２のシートとの間に配置された第４のシートから形成され、中心チューブが第１、第２、第３および第４のシートの間に配置されている、請求項２１に記載の構造。
【請求項２８】
第１のシートおよび第２のシートの基底面が、同じ方向に配向され、そして第３のシートおよび第４のシートの基底面が、第１のシートおよび第２のシートの基底面のものと違う方向に配向されている、請求項２６に記載の構造。
【請求項２９】
第１のシートおよび第２のシートの基底面が、中心チューブ軸に垂直に配向されている、請求項２６に記載の構造。
【請求項３０】
第１のシートおよび第２のシートの基底面が、中心チューブ軸に平行に配向されている、請求項２６に記載の構造。
【請求項３１】
第１のシート、第２のシート、第３のシート、および第４のシートの基底面が、同じ方向に配向されている、請求項２５に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１６年５月１０日に出願された表題「方向性熱管理用熱分解グラファイトチューブ装置」の米国仮特許出願第６２／３３３，９３３号の優先権を主張する。
【０００２】
本技術は、ガス、液体、固体、またはエネルギーを含む媒体を輸送するための、金属、セラミック、ガラス、またはプラスチックを含む外層および内層によって囲まれた熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を含む、非円筒形構造に関するものである。特に、本技術は、内層、外層、および内層と外層との間にＴＰＧの層を有する非円筒形のチューブまたはパイプに関する。
【背景技術】
【０００３】
チューブまたはパイプは、物質（例えば、気体、液体、固体）およびエネルギー（例えば、電磁波、光、音響波）を輸送するために一般的に使用される。チューブ内の媒体とチューブを囲む機構（例えば、チューブに隣接する装置または他の構造物）との間の熱の管理がしばしば必要とされる。このような媒体を輸送するための典型的なチューブまたはパイプは、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックでできている。これらの材料は等方性の熱的特性を示し、熱がチューブ壁の厚さを通しておよびチューブの軸に沿って同じ伝導力で流れる。金属または合金は、比較的高い熱伝導率（例えば、銅については４００Ｗ／ｍ-Ｋまで）のために、セラミックス、ガラスまたはプラスチックより一般的な選択である。
【０００４】
チューブ壁材料の高い熱伝導率は、一般に、熱交換器における用途に望ましい。チューブのための現在の材料は、高い熱伝導率を提供することができず、この高熱伝導性材料の欠如は、過度の熱発生のためにチューブを通る物質またはエネルギーの量を制限し得る。
【０００５】
ある方向に必要な熱伝導率が典型的な熱伝導率よりも低い場合もあり、そのためチューブに隣接する装置が熱から隔離され、一方で残りの方向の熱流は制約されない。通常の金属、セラミック、ガラス、またはプラスチックチューブは、高い熱伝導および／または指向性の熱伝導を届けることができない。したがって、高い熱伝導および／または指向性の熱伝導を届けることができる材料で作られたチューブまたはパイプが必要とされている。
【発明の概要】
【０００６】
本技術は、１つの態様では、気体、液体、固体またはエネルギーを含むがこれらに限定されない媒体を輸送するための非円筒形構造を提供し、該構造は（ｉｉ）外層と（ｉｉｉ）内層とで囲まれた熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を含む熱伝導層（ｉ）を含み、該内層および該外層は、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む。使用し得る熱分解グラファイト（「ＰＧ」）、高配向熱分解グラファイト（「ＨＯＰＧ」）、および圧縮焼鈍熱分解グラファイト（「ＣＡＰＧ」）など材料を含む熱伝導性層において、他の形態のバルクグラフェンを使用することができる。
【０００７】
本発明の一態様では、構造は、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックの外層および内層によって囲まれたＴＰＧの層を含むチューブまたはパイプのような略矩形の構造である。
【０００８】
一実施形態では、内層および外層は、独立して、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックから選択される。一実施形態では、外層および内層は同じ材料を含む。
【０００９】
内層および外層に適した金属の例には、限定されるものではないが、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、タンタル、亜鉛、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、またはそれらの２つ以上の合金が含まれる。適切なセラミックの例には、限定されるものではないが、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム、またはそれらの２つ以上のセラミック混合物が含まれる。適切なガラスの例としては、限定されるものではないが、シリカ、アルカリ、ハライド、アルミナ、またはそれらの２つ以上のガラス混合物が含まれる。適切なプラスチックの例としては、限定されるものではないが、ナイロン、ポリカーボネート、および高温樹脂が含まれる。適切なナイロンには、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６Ｔ、ナイロン１２、ナイロン４６などが含まれる。適切な高温樹脂には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルアミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド、ポリアリールエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどが含まれる。
【００１０】
本発明の一態様では、ＴＰＧは、熱伝導がチューブに沿って変化するように指向性熱流を達成するように構成される。一実施形態では、構成は、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、ｘおよびｙ方向、ｙおよびｚ方向、ｘおよびｚ方向、またはｘ、ｙおよびｚ方向の熱伝導を提供する。
【００１１】
本発明の一実施形態では、構造は、中心チューブ軸に平行で、各チューブ側面に垂直なＴＰＧ基底面を有する矩形のチューブ構造である。
【００１２】
別の実施形態では、構造は、中心チューブ軸に平行で、各チューブ側面に平行なＴＰＧ基底面を有する矩形のチューブ構造である。
【００１３】
別の実施形態では、構造は、中心チューブ軸に平行で、１対のチューブ側面に垂直であるＴＰＧ基底面を有する矩形のチューブ構造である。
【００１４】
別の実施形態では、構造は、中心チューブ軸に垂直なＴＰＧ基底面を有する矩形のチューブ構造である。
【００１５】
一態様では、本発明は、流体を先の態様または実施形態のいずれかによるチューブ構造に通すことによって流体を輸送する方法を提供する。
【００１６】
一態様では、本発明は、（ｉ）コアルーメンを画定する内層、（ｉｉ）外層、および（ｉｉｉ）該内層および該外層の間に配置された熱伝導層を含む非円筒形チューブ構造を提供し、該内層および該外層は独立して、金属、セラミック、ガラス、またはプラスチックを含み、該熱伝導層は熱伝導性材料を含む。
【００１７】
一実施形態では、熱伝導性材料は、熱分解グラファイト（ＴＰＧ）、熱分解グラファイト（ＰＧ）、高度配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）、および／または圧縮焼鈍熱分解グラファイト（ＣＡＰＧ）から選択されるバルクグラフェン材料から選択される。
【００１８】
一実施形態では、バルクグラフェン（例えば、ＴＰＧ）は、熱伝導の方向を制御するように配向されている。
【００１９】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、構造は中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層は複数のＴＰＧシートを含み、ここでＴＰＧシートは中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向されている。
【００２０】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、構造は中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層は複数のＴＰＧシートを含み、ここでＴＰＧシートは中心チューブ軸に垂直で、互いに平行に配向されている。
【００２１】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、構造は、中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層は、複数のＴＰＧシートを含み、ここで複数のＴＰＧシートは、中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向され、そして複数のＴＰＧシートは、少なくとも１つのチューブ側面に垂直に配向されている。
【００２２】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、構造は、中心チューブ軸を含み、ここでＴＰＧ層は、複数のＴＰＧシートを含み、ここで複数のＴＰＧシートは、中心チューブ軸に平行で、互いに平行に配向され、そして複数のＴＰＧシートは、少なくとも１つのチューブ側面と平行に配向されている。
【００２３】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、内層および外層は各々、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、チタン、ジルコニウム、またはそれらの２つ以上の合金から選択される金属を含む。
【００２４】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、非円筒形チューブ構造は、３つ以上の側面を含む。
【００２５】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、チューブ構造の形状は、略矩形である。
【００２６】
別の態様では、本発明は、先の実施形態のいずれかの非円筒形チューブ構造により材料を通すことを含む、材料を輸送する方法を提供する。
【００２７】
さらに別の態様では、本発明は、非円筒形チューブ構造を形成する方法を提供し、該方法は（ａ）構造の内部を通るチャネルを画定する熱伝導性材料の構造を形成すること、（ｂ）チャネル内にコアルーメンを画定する内層を配置すること、および（ｃ）構造を外層で覆うこと、を含む。
【００２８】
一実施形態では、熱伝導性材料の構造を形成し、コアルーメン内に内層を配置することは、（ｉ）構造を形成するための１つ以上の熱伝導性シートを設けること、ここで各シートが複数の基底面を画定し、（ｉｉ）構造内にチャネルを形成すること、（ｉｉｉ）チャンネル内に内層を配置すること、ここで内層がコアルーメンを画定し、および（ｉｖ）内層の上に複数の基底面を画定する熱伝導性シートを配置することを含む。
【００２９】
一実施形態では、方法は、（ｖ）（ｉｖ）の構造を外層で覆うことを含む。
【００３０】
方法の一実施形態では、（ｉ）は、第１の熱伝導性シート、第２の熱伝導性シート、および第３の熱伝導性シートを設けることを含み、（ｉｉ）は、第２のシートが第１のシートと第３のシートの間に配置されるように、シートを結合することを含む。
【００３１】
一実施形態では、第２のシートの基底面は、第１および第２のシートのものとは異なる方向に配向される。
【００３２】
一実施形態では、（ｉｖ）の熱伝導性シートは、その基底面が構造の残りの基底面と同じ方向に配向されるように構造内に配置される。
【００３３】
一実施形態では、（ｉｖ）の熱伝導性シートは、その基底面が第２のシートの基底面と同じ方向に配向されるように構造内に配置される。
【００３４】
一実施形態では、工程（ａ）は、コアルーメンの形状を有するマンドレルの周りに化学蒸着によって熱伝導性材料を形成することを含む。
【００３５】
先の実施形態のいずれかによる一実施形態では、内層および外層の各々は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、チタン、ジルコニウム、またはそれらの２つ以上の合金から選択される金属を含む。
【００３６】
一態様では、本発明は、略矩形のチューブ構造を提供し、該構造は、コアルーメンを画定する内層；外層；構造の長さに沿った中心チューブ軸；外層により画定されるチューブ側面、チューブ上面、およびチューブ底面；および熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を含む熱伝導層を含み、ここでＴＰＧは複数のＴＰＧシートを含み、各シートは複数の基底面を有し、ここでそれぞれのシートのＴＰＧ基底面は、中心チューブ軸に平行に、垂直に、または角度を成して、そして側面に対して平行に、垂直に、または角度を成して配向される。
【００３７】
一実施形態では、ＴＰＧ基底面は、中心チューブ軸に平行であり、各チューブ側面に平行であり、そしてチューブ上面およびチューブ底面に垂直である。
【００３８】
一実施形態では、ＴＰＧ基底面は中心チューブ軸に平行であり、１対のチューブ側面に垂直である。
【００３９】
ＴＰＧ基底面は、中心チューブ軸に平行であり、各チューブ側面に平行であり、チューブ上面およびチューブ底面に平行である。
【００４０】
一実施形態では、ＴＰＧ基底面は中心チューブ軸に垂直である。
【００４１】
一実施形態では、ＴＰＧ基底面は互いに平行である。
【００４２】
一実施形態では、熱伝導層は、側壁と、頂壁の一部と、底壁の一部とを画定する第１のシート；第１のシートに対向する第２のシートであって、側壁と、頂壁の一部と、底壁の一部とを画定する第２のシート；第１のシートと第２のシートとの間に配置され、底壁の一部を画定する第３のシート；および第３のシートに対向し、第１のシートと第２のシートとの間に配置される第４のシートから形成され、中心チューブが第１のシート、第２のシート、第３のシートおよび第４のシートの間に配置されている。
【００４３】
一実施形態では、第１のシートと第２のシートの基底面が同じ方向に配向されており、第３のシートと第４のシートの基底面が第１と第２のシートと異なる方向に配向されている。
【００４４】
一実施形態では、第１および第２のシートの基底面は、中心チューブ軸に垂直に配向されている。
【００４５】
一実施形態では、第１および第２のシートの基底面は、中心チューブ軸に平行に配向されている。
【００４６】
一実施形態では、第１のシート、第２のシート、第３のシートおよび第４のシートの基底面は、同じ方向に配向される。
【００４７】
これらおよび他の態様および実施形態は、以下の詳細な説明を参照してさらに理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、内層、外層、および内層と外層との間にあり、中心チューブ軸に平行で各チューブ側面に垂直なＴＰＧ基底面を有するＴＰＧ層を含む略矩形チューブを表している。内層は、媒体が流れることができるコアルーメンを画定する。
【００４９】
【図２】図２は、内層、外層、および内層と外層との間にあり、中心チューブ軸に平行で各チューブ側面に平行なＴＰＧ基底面を有するＴＰＧ層を含む略矩形チューブを示している。内層は、媒体が流れることができるコアルーメンを画定する。
【００５０】
【図３】図３は、内層、外層、および内層と外層との間にあり、中心チューブ軸に平行で１対のチューブ側面に垂直なＴＰＧ基底面を有するＴＰＧ層を含む略矩形チューブを表している。内層は、媒体が流れることができるコアルーメンを画定する。
【００５１】
【図４】図４は、内層、外層、および内層と外層との間にあり、中心チューブ軸に垂直なＴＰＧ基底面を有するＴＰＧ層を含む略矩形チューブを示している。内層は、媒体が流れることができるコアルーメンを画定する。
【００５２】
【図５】図５（ａ）〜（ｆ）は、一実施形態による非円筒形構造を形成するための工程を示す。
【００５３】
【図６】図６は、一実施形態の方法により形成された略矩形チューブを示す。
【００５４】
図面は、特に断らない限り、縮尺通りではない。図面は、本技術の態様および実施形態を例示する目的のためであり、本技術をその中に示される態様に限定することを意図するものではない。本技術の態様および実施形態は、以下の詳細な説明を参照してさらに理解することができる。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
ここで、例示的な実施形態を参照し、その例を添付図面に示す。他の実施形態を利用することができ、構造的および機能的変更を行うことができることを理解されたい。さらに、様々な実施形態の特徴を組み合わせたり変更したりすることができる。このように、以下の説明は、説明のためだけに提示され、例示された実施形態になされ得る様々な代替および変更を決して限定するものではない。本開示では、多数の特定の詳細が主題の開示の十分な理解を提供する。本開示の態様は、必ずしも本明細書に記載された全ての態様を含むとは限らない他の実施形態で実施され得ることを理解されたい。
【００５６】
本明細書で使用される場合、「例」および「例示的」という語は、実例または説明を意味する。「例」または「例示的」という語は、重要なまたは好ましい態様または実施形態を示すものではない。文脈上他に示唆されない限り、「または」という語は排他的ではなく包括的であることが意図されている。例として、語句「ＡはＢまたはＣを使用する」は、包含的置換（例えば、ＡはＢを使用する、ＡはＣを使用する、またはＡはＢおよびＣの両方を使用する）を含む。別の事柄として、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、文脈が他に示唆しない限り、一般に「１つまたは複数」を意味することを意図している。
【００５７】
本発明は、例えば気体、液体、固体またはエネルギーを含む媒体を輸送するための非円筒形構造を開示する。構造は、（ｉｉ）外層および（ｉｉｉ）内層によって囲まれた熱分解グラファイト（ＴＰＧ）を含む（ｉ）熱伝導層を含み、外層および内層は、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含み、内層は、媒体が通ることができるコアルーメン（例えばチューブ）を画定する。ＴＰＧの代わりに、熱分解グラファイト（「ＰＧ」）、高度配向熱分解グラファイト（「ＨＯＰＧ」）、および圧縮焼鈍熱分解グラファイト（「ＣＡＰＧ」）などの材料を含むバルクグラフェンの他の形態を使用することができることが理解されよう。「ＴＰＧ層」の記載は、「ＰＧ」、「ＨＯＰＧ」および「ＣＡＰＧ」を含む他のバルクグラフェンを含む層にも適用される。
【００５８】
本発明の一態様では、非円筒形構造は、内層、外層、およびこれら２つの層の間に配置されたＴＰＧを含むチューブまたはパイプ構造である。ＴＰＧは構造に方向性の熱伝導率を提供し、内層および外層は保護および／または機械的強度を提供し、また熱伝導性材料を含み得る。非円筒形のチューブまたはパイプは、特定の目的または意図された用途のために所望される任意のサイズのものであり得る。非円筒形のチューブ構造は、３つ以上の側面を含む非円筒形の多角形であってもよい。一実施形態では、非円筒多角形構造は、３、４、５、６、７、８、９または１０以上の側面を含む。一実施形態では、非円筒多角形は３〜６の側面を含む。非円筒多角形は、同じ寸法の側面を有する通常の非円筒多角形とすることができる。別の実施形態では、非円筒多角形は、異なる寸法の少なくとも２つの側面を有する非正多角形であってもよい。非円筒形チューブは、所望されるような任意の非円筒多角形に形成することができる。一実施形態では、チューブまたはパイプは、略矩形の形状である。一実施形態では、チューブまたはパイプは、略四角の形状である。
【００５９】
一態様では、内層および外層は、独立して、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックから選択される。一実施形態では、外層および内層は同じ材料を含む。別の実施形態では、外層および内層は異なる材料を含むことができる。
【００６０】
内層および外層に適切な金属の例には、限定されるものではないが、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、チタン、ジルコニウムまたはそれらの２つ以上の合金が含まれる。適切なセラミックの例には、限定されるものではないが、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、耐火硬質金属、遷移金属、希土類金属、または複合体から選択される元素の窒化物、酸化物、炭化物、炭窒化物または酸窒化物および／またはそれらの２つ以上の組み合わせが含まれる。一実施形態では、セラミック材料は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、酸化ジルコニウム、またはそれらの２つ以上のセラミック混合物から選択される。適切なガラスの例としては、限定されるものではないが、シリカ、アルカリ、ハライド、アルミナ、またはそれらの２つ以上のガラス混合物が含まれる。適切なプラスチックの例としては、限定されるものではないが、ナイロン、ポリカーボネート、および高温樹脂が含まれる。適切なナイロンには、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン６Ｔ、ナイロン１２、ナイロン４６などが含まれる。適切な高温樹脂には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルアミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリフタルアミド、ポリアリールエーテルエーテルケトン、ポリアリールエーテルケトン、ポリエーテルイミドなどが含まれる。
【００６１】
一実施形態では、ＴＰＧ（または他のバルクグラフェン）は、かなりの大きさの微結晶を有するグラファイト材料を示してもよく、微結晶は、互いに対して高度に整列または配向され、よく整った炭素層または高度の好ましい微結晶配向を有する。ＴＰＧ材料は、大部分が各平面内に六角形のパターンで配置された炭素原子を含む。
【００６２】
ＴＰＧは、その金属カプセル化複合材（例えば、Momentive Performance Materialsから入手可能なTC1050（登録商標））とともに、２０年以上にわたって様々な産業に役立つ高度な熱管理材料である。ＴＰＧは、優れた熱伝導率（例えば、１５００Ｗ／ｍ-Ｋより大きい）を有する材料を提供するために、良好に整列したグラフェン面を提供する２段階プロセスによって形成される。上述したすべての材料の中で受動的冷却および大部分の熱伝導に一般的に使用される銅と比較して、ＴＰＧは銅重量の１／４で４倍の冷却力を提供することができる。
【００６３】
ＴＰＧ層は、複数のＴＰＧシートから形成されてもよい。一実施形態では、ＴＰＧシートは、厚さ１ｍｍあたり最大１°の角度で互いに平行であってもよい。一実施形態では、ＴＰＧシートは少なくとも３０００のグラフェン層を含み、グラフェン層は厚さ１ｍｍあたり最大１°の角度で互いに平行である。一実施形態では、層は、厚さ１ｍｍあたり０．００１°〜１°の間の角度である。
【００６４】
ＴＰＧ層の寸法は、特定の目的または意図された用途のために所望されるように選択することができる。ＴＰＧ層は、通常１０００Ｗ／ｍ-Ｋ以上の高い熱伝導率を示す。一実施形態では、ＴＰＧ層は、１０００Ｗ／ｍ-Ｋより大きい；１１００Ｗ／ｍ-Ｋより大きい；１２００Ｗ／ｍ-Ｋより大きい；さらに１５００Ｗ／ｍ-Ｋより大きい面内（ａ−ｂ方向）の熱伝導率を有する。一実施形態では、ＴＰＧまたは他のバルクグラフェン層は、約１０００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約１８００Ｗ／ｍ-Ｋ：約１１００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約１７００Ｗ／ｍ-Ｋ；さらに約１２００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約１５００Ｗ／ｍ-Ｋの熱伝導率を有する。ＴＰＧ層（およびチューブ全体）はまた、優れた面を通した熱伝導率を示すことができる。一実施形態では、ＴＰＧ層および／またはチューブは、約２００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約１４００Ｗ／ｍ-Ｋ；約４００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約１０００Ｗ／ｍ-Ｋ；さらに約５００Ｗ／ｍ-Ｋ〜約８００Ｗ／ｍ-Ｋの熱伝導率を有する。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな非開示の範囲を形成することができる。
【００６５】
ＴＰＧは、任意の適切な形態で提供することができる。一実施形態では、ＴＰＧはシートとして提供される。ＴＰＧ層は、特定の目的または意図された用途のために所望される任意のサイズまたは厚さを有することができる。ＴＰＧ層は、約１．０ｍｍ、約１．５ｍｍ、約２．０ｍｍ、約２．５ｍｍ、またはさらに約３ｍｍの厚さを有してもよい。ＴＰＧ層は、約０．１ｍｍ〜約２５．０ｍｍ；約０．５ｍｍ〜約１０ｍｍ；約１ｍｍ〜約５ｍｍ；または約２ｍｍ〜約３ｍｍの厚さを有することができる。
【００６６】
ＴＰＧは、基底面内で約１６００Ｗ／ｍ-Ｋ（銅の４倍）であり、面に垂直で約１０Ｗ／ｍ-Ｋ（銅の１／４０）であるような異方性熱伝導率を示す。チューブ壁内にＴＰＧを埋め込むことにより、所望の構成で高熱伝導率と低熱伝導率の両方を同時に達成することができる。また、ＴＰＧの密度は２．２５ｇ／ｃｍ３であり、銅の重量の１／４である。したがって、ＴＰＧを組み込むことにより、チューブの全体重量を大幅に低減することができる。
【００６７】
チューブ構造の内層および外層の厚さは、特定の目的または意図される用途のために所望されるように選択することができる。一実施形態では、内層および外層は、独立して約０．１ｍｍ、約０．５ｍｍ、約１．０ｍｍ、約１．５ｍｍ、または約２．０ｍｍの厚さを有することができる。内層および外層は、独立して、約０．００１ｍｍ〜約５０ｍｍ、約０．１ｍｍ〜約２５ｍｍ、約０．５ｍｍ〜約１０ｍｍ、約１．０ｍｍ〜約５ｍｍ、さらに約２〜約３ｍｍの厚さを有することができる。内層および外層の厚さは、互いに同じであっても異なっていてもよいことが理解されよう。ここでは、明細書および特許請求の範囲の他の部分と同様に、数値を組み合わせて新たな特定されていない範囲を形成することができる。
【００６８】
ＴＰＧ層は、熱伝導がチューブに沿って変化するように指向性熱流を提供するように構成されてもよい。指向性熱流は、ＴＰＧがチューブ内に配向される方法によって管理されてもよい。図１〜４は、チューブ内のＴＰＧの可能な構成の非限定的な実施形態を示す。図１〜４に示された構成のすべてが、選択された指向性熱管理を提供する。一実施形態では、構成はｘ方向；ｙ方向；ｚ方向；ｘ方向およびｙ方向の両方；ｙ方向およびｚ方向の両方；ｘ方向およびｚ方向の両方；またはｘ、ｙ、およびｚ方向のそれぞれにおいて熱伝導を提供する。
【００６９】
本発明の一実施形態では、構造は、中心チューブ軸４６０に平行であり、各チューブ側面に垂直なＴＰＧ基底面を有する矩形チューブ構造４５０である（図１）。チューブ４５０は、内層４２０と外層４３０との間にＴＰＧの層４１０を有する略矩形チューブである。内層４２０は、頂壁および底壁４２２および側壁４２４によって画定される。外層４３０は、頂壁および底壁４３２と側壁４３４とによって画定される。ＴＰＧ層４１０は、複数のＴＰＧシートを含む。ＴＰＧ基底面が、内層４２０の壁４２２の平面に対して垂直に配向されるようにＴＰＧシート４１２が配置され、ＴＰＧ基底面が、外層の壁４３４の平面に垂直に配向されるようにＴＰＧシート４１４が配置される。内層４２０は、媒体が通ることができるコアルーメン４４０を画定する。内層４２０および外層４３０はそれぞれ、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む。この構成では、ｘ、ｙ、およびｚ方向に熱伝導が生じる。
【００７０】
本発明の一実施形態では、構造は、中心チューブ軸５６０に平行で、各チューブ側面に平行なＴＰＧ基底面を有する矩形チューブ構造５５０である（図２）。チューブ５５０は、内層５２０と外層５３０との間にＴＰＧの層５１０を有する略矩形のチューブである。内層５２０は、頂壁および底壁５２２と側壁５２４によって画定される。外層５３０は、頂壁および底壁５３２と側壁５３４によって画定される。ＴＰＧ層５１０は、複数のＴＰＧシートを含む。ＴＰＧ基底面が、内層５２０の壁５２２の平面に平行に配向されるように、ＴＰＧシート５１２が配置され、ＴＰＧ基底面が、外層の壁５３４の平面に平行に配向されるように、ＴＰＧシート５１４が配置される。内層５２０は、媒体が通ることができるコアルーメン５４０を画定する。内層５２０および外層５３０はそれぞれ、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む。この構成では、ｚ方向に熱伝導が生じ、ｘおよびｙ方向に断熱が生じる。
【００７１】
本発明の一実施形態では、構造は、中心チューブ軸６６０に平行で、１対のチューブ側面に垂直なＴＰＧ基底面を有する矩形チューブ構造６５０である（図３）。チューブ６５０は、内層６２０と外層６３０との間にＴＰＧの層６１０を有する略矩形のチューブである。内層６２０は、頂壁および底壁６２２と側壁６２４によって画定される。外層６３０は、頂壁および底壁６３２と側壁６３２によって画定される。ＴＰＧ層６１０は、複数のＴＰＧシートを含む。ＴＰＧ基底面が、内層６２０の壁６２２の平面に垂直に配向されるように、ＴＰＧシート６１２が配置され、ＴＰＧ基底面が、外層の壁６３４の平面に平行に配向されるように、ＴＰＧシート６１４が配置される。内層６２０は、媒体が通ることができるコアルーメン６４０を画定する。内層６２０および外層６３０はそれぞれ、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む。この構成では、ｙ方向およびｚ方向に熱伝導が生じ、ｘ方向に断熱が生じる。
【００７２】
本発明の一実施形態では、構造は、中心チューブ軸７６０に垂直なＴＰＧ基底面を有する矩形のチューブ構造７５０である（図４）。チューブ７５０は、内層７２０と外層７３０との間にＴＰＧの層７１０を有する略矩形のチューブである。ＴＰＧ層７１０は、１つまたは複数のＴＰＧシートを含む。内層７２０は、媒体が通ることができるコアルーメン７４０を画定する。内層７２０および外層７３０はそれぞれ、金属、セラミック、ガラスまたはプラスチックを含む。この構成では、ｘ方向およびｙ方向に熱伝導が生じ、ｚ方向に断熱が生じる。
【００７３】
図１〜２に示されているように、チューブ構造は、グラファイト熱伝導性材料の基底面の上面および底面に対して異なる配向が存在するようなものであってもよい。図１において、側壁４２４を形成するシートの基底面は、外側壁４３４の表面に対して垂直に配向される。壁４２２は、コアルーメン４４０の上面に垂直に配向されている。そのようなものとして、上面および底面に隣接する熱伝導性材料の部分（壁４２２によって画定される）が存在し、そこで基底面が頂壁および底壁４３２に垂直に配向され、熱伝導性材料の部分（側壁４２２によって画定される）が存在し、そこで熱伝導性材料の基底面が、頂壁および底壁の表面に平行に配向される。逆の状況を図２に示す。図３において、熱伝導性材料の基底面が、外層の上面および底面に対してこれらの表面に沿って実質的にすべてに垂直に配向されるようにチューブ構造が構成されている。図示されていないが、構造は、上面および底面の実質的にすべてに平行な配向で基底面を提供するように構成することができた。
【００７４】
熱伝導性構造は、任意の適切な方法によって形成することができる。一態様では、この方法は、（ａ）構造の内部を通るチャネルまたは通路を画定する熱伝導層を形成すること；（ｂ）チャネル内に内層を配置すること、ここで内層がコアルーメンを画定し、；および（ｃ）構造を外層で覆うことを含む。全体的な構造の形成は、異なる方法で達成することができる。特に、内部熱伝導層を形成することは、多くの方法で形成することができる。以下に、熱伝導層および全体構造の形成の例について説明する。
【００７５】
本方法の一実施形態では、工程（ａ）および（ｂ）は、（ｉ）１つ以上の熱伝導性シートを設けて構造をもたらすこと、（ｉｉ）１つ以上のシートを通して中心通路を形成すること、（ｉｉｉ）熱伝導性シートの通路内にコアルーメンを画定する内層材料を配置すること、および（ｉｖ）熱伝導性上部分を内層の上に取り付けることによって実施されることができる。工程（ｃ）は、完成した構造を形成するために構造を外層で囲んで完成した構造を形成することによって実施することができる。使用される熱伝導性シートの数は、特定の目的または意図される用途のために所望されるように選択することができる。一実施形態では、単一のシートが使用される。単一のシートを使用することにより、同じ方向に配向されたグラフェンの基底面を有する側壁および底壁が得られることとなる。内側層の上に配置された熱伝導層は、グラフェン面を残りの構造と同じ方向に、または異なる方向に配向するように配置することができる。一実施形態では、構造は、複数の熱伝導性シートを使用して形成されてもよい。一実施形態では、構造は、２、３またはそれ以上のシートを使用して形成することができる。シートは、シートの基底面が最終構造において所望の方向になるように配向される。
【００７６】
例えば、図５を参照すると、チューブ構造は、（ａ）水平に配向されたグラフェン材料の基底面８１２を有する第１の熱伝導性シート８１０、垂直に配向された基底面８３２を有する第２のシート８３０、および基底面８２２が水平に配向されるように配置された第３のシート８２０を設けることによって形成することができる。工程（ｂ）において、シートは互いに結合されて単一の構造を形成する。工程（ｃ）において、チャネルまたは通路８４０が構造内に形成される。工程（ｄ）において、そして内層８５０がチャネル内に配置される。工程（ｅ）において、熱伝導性材料の別のシート８６０が内層の上に配置される。図５において、シート８６０は、基底面が垂直に配向されるように示されている。続いて、工程（ｆ）において、外層８７０は熱伝導層の周りに配置されて構造を形成する。
【００７７】
別の例では、チューブ構造は、（ｉ）１つの熱伝導性シートを設けて構造を形成されることができ、各シートが複数の基底面を画定している。工程（ｉｉ）において、構造内のチャネルが構造に形成される。工程（ｉｉｉ）において、そしてチャネル内に内層が配置され、内層がコアルーメンを画定している。工程（ｉｖ）において、別の熱伝導性シートが内層の上に配置される。続いて工程（ｖ）において、外層は、熱伝導層の上に配置されて構造を形成する。
【００７８】
チャネルまたは通路は、任意の適切な方法で熱伝導層に形成することができる。一実施形態では、チャネルまたは通路は、熱伝導性シートの一部分を機械加工して、形成された通路を画定することによって形成することができる。
【００７９】
別の態様では、中央の熱伝導層は、工程（ａ）において、コアルーメンの形状を有するロッドマンドレルを使用する化学気相堆積プロセスにおいて形成される。続いて、ロッドマンドレルが除去されて、開放チャネルまたは通路および中心チューブ軸に平行なすべての基底面を有する熱伝導層が残る。工程（ｂ）において、そしてコアルーメンを画定する内層が、熱伝導層によって画定されたチャネル／通路内に配置される。続いて工程（ｃ）において、外層が熱伝導層の上に配置されて構造を形成する。この実施形態では、ＴＰＧチューブ構造の全ての側面が、複数のＴＰＧブロックを結合する必要なくシームレスに接合される。図６は、化学蒸着を用いて形成された略矩形のチューブを示す。チューブ９５０は、内層９２０、外層９３０、および内層と外層との間にあり、中心チューブ軸に平行でかつ各チューブ側面に平行なＴＰＧ基底面９１２を有するＴＰＧ層９１０を含む。内層は、媒体が流れることができるコアルーメンを画定する。ＴＰＧ層は、中心ルーメンの形状を有するロッドマンドレルを使用する化学気相堆積によって単一のチューブ部品として形成される。マンドレルはその後除去され、開放チャネルを残す。
【００８０】
これらの方法は、所望の方向に配向された熱伝導層の基底面を有する構造を形成することを可能にする。
【実施例】
【００８１】
４つのＴＰＧ構成（構成１〜４）の熱伝導率を計算し、結果を表１に示した。
【００８２】
表１の構成１〜４については、内層および外層は銅製であり、内チューブは８×５ｍｍの寸法を有し、外チューブは１３×１０ｍｍの寸法を有し、内層および外層の厚みはそれぞれ０．５ｍｍ、ＴＰＧ層の厚みは１．５ｍｍとされた。ＴＰＧの熱伝導率は、面内で１５００Ｗ／ｍ-Ｋ、面を通して１０Ｗ／ｍ-Ｋであった。銅の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ-Ｋであった。
【００８３】
表１（以下）は、４つの異なるＴＰＧ構成（構成１〜４）の熱伝導率計算を示し、各方向（ｘ、ｙまたはｚ）の熱伝導率の計算を提供する。
【表１】
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【００８４】
技術の実施形態は上記で説明されており、本明細書の読解および理解の際に、他の者に修正および変更が生じる可能性がある。以下の特許請求の範囲は、特許請求の範囲またはその等価物の範囲内に入る限り、すべての改変および変更を含むことが意図されている。
【００８５】
以上、本明細書の例を挙げて説明した。当然のことながら、本明細書を説明する目的で構成要素または方法論の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、本明細書の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを理解するであろう。したがって、本明細書は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に入るそのような変更、修正および変形をすべて包含することが意図されている。さらに、用語「含む（includes）」が詳細な説明または特許請求の範囲のいずれかで使用される限り、そのような用語は、「含む（comprising）」が請求項の移行語として使用される場合に解釈されるように、用語「含む（comprising）」と同様の態様で包括的であるように意図される。
【００８６】
上述の説明は、熱管理アセンブリの様々な非限定的な実施形態を特定するものである。当業者および本発明を製造および使用することができる者には、改変が生じ得る。開示された実施形態は、単に説明目的のためであり、本発明の範囲または特許請求の範囲に記載された主題を限定するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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